Misura di sezioni d'urto neutroniche per l'astrofisica nucleare e per...

[email protected] Trieste, 26 settembre 2013 XCIX Congresso della Società Italiana di Fisica

Misura di sezioni d'urto neutroniche per l'astrofisica nucleare e per le tecnologie nucleari presso n_TOF al CERN

Paolo Maria Milazzo per la collaborazione n_TOF


n_TOF, una facility per neutroni @ CERN

n_TOF è una sorgente di spallazione che sfrutta un fascio di protoni da 20 GeV/c del PS

L’installazione rende disponibili neutroni in un ampio spettro energetico,

dal termico fino al GeV.

La peculiarità consiste nell’elevato flusso neutronico istantaneo e

nella alta risoluzione energetica.

Ciò rende possibili misure molto accurate di sezioni d’urto indotte da neutroni.


n_TOF, una facility per neutroni @ CERN

Cosa offre n_TOF ? Qual è la ricaduta diretta sulle misure ?

Neutroni disponibili in un ampio intervallo di energia

(1 eV < En < 1 GeV)

Misura di sezioni d’urto di cattura fino a 1 MeV

Misura simultanea di sezioni d’urto di fissione

dall’eV alle centinaia di MeV

Elevato flusso istantaneo

(105 n/cm2/bunch)

Misura di piccole sezioni d’urto di cattura

Misura di campioni disponibili in modeste quantità

Misura di campioni radioattivi

Risoluzione in energia Studio accurato delle risonanze

Low neutron sensitivity

Basso background

Misura accurata di sez. d’urto anche nei casi in cui σel/σcapture » 1


Total Absorption Calorimeter

- geometria 4π

- 40 cristalli BaF2 (segmentazione)

- Buona risoluzione in energia

- Discriminazione di eventi spuri e background

- Utilizzato soprattutto per cattura su attinidi

Scintillatori liquidi

- per misure a bassa neutron sensitivity

Set-up di cattura


Set-up di cattura MicroMegas

-Alto guadagno, basso rumore

- Campioni di misura in parallelo.

- Utilizzabile anche per misure (n,α) Parallel Plate Avalanche Counters

- Frammenti di fissione rivelati in coincidenza

- Ottima discriminazione delle α emesse - Poco sensibile ai γ


a-nuclei 12C,16O,20Ne,24Mg, …. 40Ca

Fe peak

s-process peaks (nuclear shell closures)

r-process peaks (nuclear shell closures)

Au Pb

Th, U

Abbondanze relative

H 0.739

He 0.249

Li-Fe 0.012

Elementi più pesanti del Ferro 4E-6

NEUTRONINEUTRONI

Siamo fatti di stelle !

Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Nucleosintesi degli elementi più pesanti del Fe


s process [SLOW]

T ≈ 108 K - nn≈108 neutroni/cm3

Tempi di cattura ≈ 1 anno

r process [RAPID]

T > 109 K - nn≈1020 neutroni/cm3

Tempo di esposizione ≈ secondi

~ ½ by s-process ~ ½ by r-process

Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Nucleosintesi degli elementi più pesanti del Fe

weak

60<A<90

Stelle massive Mʘ>8

main

90<A<210

TP/AGB 1-3 Mʘ


Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Nucleosintesi degli elementi più pesanti del Fe (s-process)

Possibili scenari



C.Lederer, C.Massimi, et al. PRL 110 (2013) 022501


L’isotopo 93Nb è l’unico Nb stabile, la sua abbondanza dipende strettamente da 93Zr(n, γ)



s-Process

150Sm 151Sm 152Sm

151Eu 152Eu 153Eu 154Eu

152Gd 154Gd

153Sm

La diramazione ad A=151

Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Caratterizzazione delle condizioni stellari

Il 151Sm ha un tempo di dimezzamento di 93 anni, che si riduce a 3 in condizioni stellari

Il branching ratio al 151Sm dipende da:

• condizioni termodinamiche dei siti stellari

(temperatura, densità neutronica, …)

• sezione d’urto 151Sm(n,g)

Misura delle condizioni Misura delle condizioni termodinamichetermodinamiche pressopresso il sito di nucleosintesiil sito di nucleosintesi


Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Caratterizzazione delle condizioni stellari

U Abbondanno et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004), 161103 S Marrone et al., Phys. Rev. C 7373 03604 (2006)

NON SOLO

• In Astrofisica Nucleare, importante branching point

MA ANCHE

• 151Sm importante frammento di fissione (richiesta 4.D.28 della HPNDRL della NEA)

• Necessarie sezioni d’urto per trasmutazione con ADS

≈500 risonanze per lo più nuove


Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Cosmocronologia

Contribuito all’abbondanza dell’ 187Os

σNs(186Os) = σNs(

187Os)

Il tempo di dimezzamento β del 187Re è di 42.3 Gyr


Applicazioni al campo dell’ASTROFISICA NUCLEARE Cosmocronologia

Os)187(

)186(OsOs 186187

c

187

02.042.0)187(

)186(

COMPLICAZIONI La vita media del decadimento β del 187Re dipende dalla temperatura stellare La sezione d’urto di cattura (n, γ) dell’ 187Os è influenzata dai livelli eccitati più bassi (in particolare il 1st excited state a 9.8 keV) Branching(s) a 185W ed/o at 186Re Distruzione del 187Re in processi stellari successivi (Astration) Evoluzione chimica della galassia non uniforme: incertezza nelle abbondanze di Re ed Os

•• Cosmological wayCosmological way “expansion age” 13.7 13.7 ±± 0.2 0.2 GyrGyr (WMAP; PLANCK)(WMAP; PLANCK)

• Astronomical way Astronomical way in base alla osservazione dei clusters globulari 14. 14. ±± 2. 2. GyrGyr

• Nuclear wayNuclear way 15. 15. ±± 22. . GyrGyr


Applicazioni al campo della TECNOLOGIA NUCLEARE Reattori Gen-IV, I Reattori nucleari di nuova generazione devono soddisfare una serie di criteri base:

Avere una maggiore efficienza di burn-up → decisa riduzione delle scorie - riutilizzo di parte del combustibile spento, - produzione di energia bruciando scorie ad alta radiotossicità (Np, Am, Cm); - presentare forme di sicurezza intrinseca; - non consentire la proliferazione nucleare; - ridurre tempi e costi di costruzione.

Trasmutazione delle scorie radioattive

1 MeV

Neutron spectrum in fast reactors (Gen IV e ADS)

Neutron cross-sections

(with threshold)

Fissile isotopes (without threshold)

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi?displaydoc=CHAPTER&num=1&paratitle=REQUIREMENTS FOR NUCLEAR DATA STANDARDS

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi?displaydoc=CHAPTER&num=3&paratitle=REQUIREMENTS FOR Fusion Technology

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi?displaydoc=CHAPTER&num=4&paratitle=Requirements for Fission Reactor Technology

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi?displaydoc=CHAPTER&num=5&paratitle=Requirements for Medical and Industrial Applications

http://www.nea.fr/html/dbdata/hprl/hprlmain.cgi?displaydoc=CHAPTER&num=6&paratitle=Requirements for Intermediate Energies

http://www.nea.fr/welcome.html


…e ancora

Applicazioni al campo della FISICA MEDICA BNCT, dosimetria

Applicazioni al campo della FISICA NUCLEARE DI BASE Struttura nucleare (parametri delle risonanze, strength functions)


20

13

Construction


Isotope Reference

24,25,26Mg PRC 85 (2012) 044615

62Ni Submitted to PRC

63Ni PRL 110 (2013) 022501

90Zr PRC 77 (2008) 035802

91Zr PRC 78 (2008) 045804

92Zr PRC 81 (2010) 055801

93Zr PRC 87 (2013) 014622

94Zr PRC 84 (2011) 015801

96Zr PRC 84 (2011) 055802

139La PRC 75 (2007) 035807

151Sm PRL 93 (2004) 161103 – PRC 73 (2006) 034604

186,187,188Os PRC 82 (2010) 015802 – PRC 82 (2010) 015804

204Pb PRC 75 (2007) 015806

206Pb PRC 76 (2007) 045805

207Pb PRC 74 (2006) 055802

209Bi PRC 74 (2006) 025807

Isotope Reference

natPb PRC 83 (2011) 044620

209Bi PRC 83 (2011) 044620

232Th PRC 73 (2006) 054610 – PRC 85 (2012) 064601

233U PRC 80 (2009) 044604 – EPJ A 47:2 (2011)

236U PRC 84 (2011) 044618

237Np PRC 85 (2012) 044616

241Am EPJ A 49:2 (2013)

243Am EPJ A 47:160 (2011)

245Cm PRC 85 (2012) 034616

ASTROFISICA TECNOLOGIA


Energy Range Current Accuracy (%)

Target Accuracy (%)

U238 inel 0.5 ÷6.1 MeV 10 ÷ 20 2 ÷ 3

capt 2.04 ÷24.8 keV 3 ÷ 9 1.5 ÷ 2

Pu241 fiss 454. eV ÷1.35 MeV 8 ÷ 20 2 ÷ 5

Pu239 capt 2.04 ÷498 keV 7 ÷ 15 4 ÷ 7

Pu240 fiss 0.498 ÷1.35 MeV 6 1 ÷ 3

Pu242 fiss 0.498 ÷2.23 MeV 19 ÷ 21 3 ÷5

Pu238 fiss 0.183 ÷1.35 MeV 17 3 ÷5

Am242m fiss 67.4 keV ÷1.35 MeV 17 3 ÷4

Am241 fiss 2.23 ÷6.07 MeV 9 2

Am243 fiss 0.498 ÷6.07 MeV 12 3

Cm244 fiss 0.498 ÷1.35 MeV 50 5

Cm245 fiss 67.4 ÷183 keV 47 7

Fe56 Inel 0.498 ÷2.23 MeV 16 ÷ 25 3 ÷ 6

Na23 inel 0.498 ÷1.35 MeV 28 4 ÷10

Pb206 inel 1.35 ÷2.23 MeV 14 3

Pb207 Inel 0.498 ÷1.35 MeV 11 3

Target Accuracies for Fast Reactors

M. Salvatores, Uncertainty and target accuracy assessment for innovative systems using

recent covariance data evaluations, Nucl. Sc. NEA/WPEC-26 (2008) ISBN 978-92-64-99053-1, www.nea.fr/html/science/wpec/volume26/volume26.pdf

Per dirimere tra i modelli stellari proposti serve una conoscenza delle sezioni d’urto di cattura con una accuratezza tra l’1 e il 5% per tutti gli isotopi che vanno dal 12C al 210Po

C’è ancora MOLTO da fare!


n_TOFn_TOF targettarget

New Experimental Area EAR-2 a 19 m

EAR-1 a 185 m

n_TOF, il futuro prossimo


Il numero di neutroni al punto misura risulta in media aumentato di un fattore 25 rispetto alla sala sperimentale EAR-1 Misure di reazioni indotte da neutroni possono essere portate a termine anche su campioni di misura disponibili in piccole masse (< 1 mg). Questa possibilità è di primaria importanza per ridurre l'attività di campioni instabili e nel caso in cui il materiale di interesse sia estremamente raro. Limitazioni nelle masse disponibili di alcuni campioni di misura giocano un ruolo cruciale sia nel campo della astrofisica, che nel campo delle tecnologie nucleari. Per alcuni isotopi queste misure rappresenteranno una prima assoluta. Si possono eseguire misure su isotopi con sezioni d'urto molto basse, che fungono da colli di bottiglia lungo il flusso di reazione del processo s. Un rapporto segnale/rumore ottimizzato è un prerequisito essenziale per questo tipo di esperimenti. Le misure possono essere completate su scale di tempi più brevi e con migliore accuratezza. Si possono condurre misure su bersagli estremamente sottili permettendo di raccogliere informazioni su reazioni (n, particelle cariche), mai misurate fino ad oggi (ad es. 25Mg(n, α) e 7Be(n, α ) di fondamentale interesse per la nucleosintesi).



Campioni disponibili in piccole masse

79Se, 90Sr, 107Pd, 135Cs, 147Pm, 163Ho,171Tm, 182Hf, 204Tl

Basse sezioni d‘urto

86Kr, 88Sr, 138Ba, 140Ce, 208Pb; isotopes of C, O, Ne, Mg

Misure su scale di tempi `accettabili`

64Zn, 70Ge, 76Ge, 80,82Kr, 86,87Sr, 95,96Mo, 104Pd, 164,166Er, 198Hg

Campioni radioattivi a breve vita media

Fissione:238Pu (87.7 y), 241Pu (14.1 y), 244Cm(18.1 y), 242mAm(141y), 243Cm (29.1y)

Cattura: 242Am (141 y), 243Cm (29.1 y), 231Pa(32400 y)



La famiglia n_TOF

Bari Bologna Laboratori Nazionali di Legnaro Laboratori Nazionali del Sud Trieste Dipartimento di Fisica (Università di Bologna) Bologna

30 Istituti 100 Ricercatori 16 PhD Students

Misura di sezioni d'urto neutroniche per l'astrofisica nucleare e per...

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